GEOLOGIE INGINEREASCĂ

Curs

Prof.Univ.dr.ing. Vasile GRECU

Capitolul 1 – Structura Universului

1.1. IntroducereGeologia este ştiinţa care se ocupă cu studiul Pământului ca planetă. Numele său

este format din două cuvinte greceşti (geo = pământ şi logos = ştiinţă, vorbire) şi reprezintă de fapt traducerea exactă a acestora. Planeta Pământ este denumită şi cu termenul latin „Terra”, de unde derivă expresiile glob terestru, roci terigene, aterizare etc.

Geologia are legături strânse cu toate ramurile ştiinţelor naturii cum ar fi: chimie, fizică, biologie, biochimie, matematică, geografie, astronomie etc.Pentru alegerea amplasamentelor de baraje şi alte lucrări hidrotehnice, tuneluri, canale navigabile, drumuri, căi ferate, poduri şi viaducte, alimentări cu apă, s-a dezvoltat o ramură specială a Geologiei denumită Geologie inginerească.

Geologia inginerească trebuie să studieze compoziţia, structura, starea şi proprietăţile fizico-mecanice ale materialului din care este alcătuită partea superioară a globului terestru în raport cu comportarea sa sub sarcinile construcţiilor.

Astăzi nu se mai concepe nici o lucrare de construcţii fără cercetări de geologie inginerească. Din acest motiv colaborarea între inginerul constructor şi geolog sau inginer geolog trebuie să fie cât mai strânsă.Fără a ţine seama de datele geologice nu se poate proiecta şi nu se poate construi raţional cu asigurarea funcţionalităţii, durabilităţii şi economicităţii, stabilităţii şi rezistenţei obiectivului respectiv.

1.2. Universul ca sistem material

Cel mai mare şi mai complex sistem material poate fi considerat Universul sau Cosmosul, care este alcătuit din totalitatea corpurilor şi fenomenelor cosmice şi a spaţiului dintre acestea. Din cauza imensităţii întinderii acestui spaţiu, el nu este accesibil observaţiilor omului decât parţial.

Prin univers se înţelege întreaga lume, infinită în spaţiu şi veşnică în timp în care se află materia (masă + energie + informaţie), diversificată ca formă şi conţinut în diferite stadii de dezvoltare.

Universul este caracterizat prin patru dimensiuni (trei dimensiuni spaţiale şi a patra dimensiune, timpul). În nici un alt domeniu al ştiinţelor nu s-a ajuns la o aşa strânsă contopire a spaţiului cu timpul încât să se măsoare distanţele cosmice prin unităţi de timp.

Dimensiunile excesiv de mari ale spaţiului cosmic au impus utilizarea unor unităţi de măsură adecvate. Astfel, pentru măsurarea distanţelor se folosesc:• unitatea astronomică (UA) care are valoarea de 149.600.000 km, fiind egală cu media distanţei de la sistemul Pământ – Lună şi centrul Soarelui;• parsecul (pc):1 pc=206.266,8 UA=3,0851013km=30,851012 km;• anul-lumină, este cea mai mare unitate de măsură şi estimare a dimensiunilor de spaţiu – timp în Univers; anul-lumină este egal cu distanţa străbătută de lumină, în vid (cu viteza 299.792.458 m/s), în timp de un an tropic (365,242199 zile), distanţă egală cu 9,451·1015 m = 9,451·1012 km = 6,3275 UA.

O parte din materia din Univers este organizată în corpuri cosmice. Acestea pot fi clasificate, la rândul lor, în corpuri fierbinţi şi corpuri reci. În categoria corpurilor fierbinţi se include stelele de diverse mărimi şi tipuri. Având temperaturi foarte ridicate, stelele emit lumină şi căldură în spaţiul înconjurător.

Stelele diferă între ele prin dimensiuni, temperatură, culoare şi luminozitate, caracteristici care, la rândul lor, depind de stadiul de evoluţie a stelelor.

Stelele se văd proiectate pe bolta cerească distribuite neuniform. Unele stele apar grupate, constituind constelaţii, cărora li s-au dat denumiri diverse.

Între corpurile reci se pot cita planetele cu sateliţii lor, asteroizii, meteoriţii şi cometele. Aceste corpuri cosmice nu emit lumină proprie, ci reflectă doar lumina venită de

la stele.Materia neorganizată se găseşte sub formă de praf cosmic şi gaze (molecule şi

atomi sau ioni, care sunt dispersaţi în spaţiul cosmic). Se constată o tendinţă de grupare a materiei neorganizate sub formă de mari aglomerări de gaze şi praf cosmic. Acestea pot fi observate atât datorită reflexiei luminii stelare, cât şi a emisiei lor proprii. De aceea se prezintă ca nişte pete luminoase, cărora li se spune nebuloase.

Corpurile cosmice nu sunt răspândite haotic în Univers, ci sunt grupate în sisteme de mărimi şi complexităţi diferite. Astfel, corpurile reci, fiind mai mici, sunt grupate în jurul unor stele, alcătuind sisteme planetare. Şi stelele se aglomerează în roiuri numite galaxii.

Întrucât Soarele şi deci şi Pământul sunt aproape de planul ecuatorial al Galaxiei noastre, mai vedem stelele acesteia proiectate pe bolta cerească sub forma unei fâşii mai luminoase, numite Calea Lactee, deoarece raza vizuală întâlneşte un număr mai mare de stele în direcţia diametrului galaxiei.

1.2.1 Galaxia noastrăÎn centrul galaxiei este nucleul, mai dens, cu un diametru de 50 de ani-lumină.Din regiunea periferică a discului galactic se desprind cele patru braţe ale galaxiei,

care se desfăşoară, fiecare, sub forma unei spirale uriaşe. Aceste braţe sunt generatoare de stele chiar şi astăzi.

Galaxia este antrenată într-o permanentă mişcare de rotaţie în jurul axei proprii. Rotirea, însă nu se face sub forma unui bloc unitar, viteza de rotaţie fiind mai mică spre periferie.

Printre miliardele de stele ale Căii Lactee se află şi Soarele. El este situat la o distanţă de circa 27.000 ani-lumină de centrul Galaxiei şi se roteşte în jurul acestuia cu o viteză de 220 km/s. Un ciclu complet de rotaţie în jurul axei mici se face timp de aproximativ 275 milioane de ani, timp numit an galactic.

La rândul ei, Galaxia este unul din numeroasele sisteme stelare care se găsesc în Univers.

1.2.2 Sistemul nostru solarSistemul solar este o componentă a Galaxiei noastre.

El este un ansamblu format din Soare şi o serie de corpuri cereşti, care se mişcă în jurul lui sub influenţa forţei sale de atracţie, precum şi spaţiul cosmic definit de orbitele acestor corpuri cereşti.

Sistemul solar este constituit dintr-o stea – Soarele – în jurul căruia gravitează nouă planete: Mercur, Venus, Terra, Marte, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, Pluton (Me Ve Te Mar Ju Sa Ur Ne Plu). În jurul planetelor gravitează 60 de sateliţi. Denumirea de planete a fost dată de vechii greci aştrilor care îşi schimbă locul pe cer spre deosebire de stele, care aparent sunt fixe. În traducere, cuvântul planetă înseamnă „rătăcitor”.

În aceste sistem bine structurat se mai găsesc şi aşa-zisele „corpuri mici”, care grupează mii de asteroizi, cometele (stele cu coadă), sistemele de inele ale lui Saturn, Jupiter, Uranus şi Neptun şi praful interplanetar, compus din particule silicatice învăluite în gheaţă

Originea comună a corpurilor din sistemul nostrusolar este dedusă din câteva caracteristici, aceleaşi atât la Soare cât şi la planete. Toate planetele se găsesc în interiorul câmpului gravitaţional al Soarelui, în jurul căruia execută o mişcare de revoluţie, fiecare planetă pe o orbită proprie, dar toate aproximativ în acelaşi plan care trece prin centrul Soarelui. Atât Soarele, cât şi planetele, execută şi o mişcare de rotaţie, în jurul propriilor axe. Corpul central al Sistemului solar este Soarele, în jurul căruia se rotesc planetele: Mercur, Venus, Pământ, Marte, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun şi Pluton.

Sistemul solar poate fi asemuit din punct de vedere structural, cu un disc în centrul căruia se află Soarele, iar în jurul său orbitele succesive ale planetelor (Fig. 2.)

Fig. 2. Dimensiunile relative ale Soarelui

şi planetelor din sistemul solar

Sistemul nostru solar este situat în braţul Orion la distanţa de circa 33.000 ani-lumină de la centrul (axa) galaxiei. Un ciclu complet de mişcare a sistemului nostru solar, faţă de centrul galaxiei, se face timp de aproximativ 200 de milioane de ani, timp numit an galactic.

Galaxia este antrenată şi într-o deplasare continuă, cu o viteză de 250 km/s descriind o mişcare în spirală.

În mişcarea de rotaţie a galaxiei se dezvoltă o forţă centrifugă care duce la expulzarea unor cantităţi enorme de gaze ce se răspândesc în discul galactic şi printre braţele înstelate ale galaxiei participând la formarea noilor stele.

Corpurile care alcătuiesc sistemul solar se supun legilor mecanicii cereşti, care au fost descoperite de Johannes Kepler în sec. al XVII-lea.

Conform primei legi, planetele se mişcă în jurul Soarelui, pe orbite în formă de elipsă, Soarele găsindu-se în unul din focarele elipsei. Din această cauză, distanţa Soare-planetă este variabilă (Fig. 3.)

A doua lege arată că raza vectoare Soare-planetă descrie arii egale în perioade de timp egale. De aici decurge variaţia vitezei cu care se deplasează planetele pe orbitele lor.

A treia lege stipulează că pătratul perioadei de revoluţie în jurul Soarelui este proporţional cu cubul semiaxei mari a orbitei.

Fig.3 Mişcarea planetelor în jurul soarelui

Planetele sunt cele mai mari corpuri, fără lumină proprie, care gravitează în jurul Soarelui.

Distanţa planetelor faţă de Soare satisface legea Titius-Bode, fiecare planetă fiind plasată, faţă de Soare la o distanţă care este aproximativ media distanţelor celor două planete care o încadrează. Luând Pământul ca reper, se disting planete interioare (interne) care sunt mai apropiate de Soare decât Pământul şi planete exterioare (externe) ale căror orbite se află în afara orbitei terestre (Fig. 5).

După mărime şi compoziţie, planetele se grupează în interne (Mercur, Venus, Terra, Marte) şi externe (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, Pluto).

Planetele mai apropiate de Soare - Interne - Mercur, Venus (Luceafărul), Pământ (Terra), Marte – au unele proprietăţi asemănătoare, ce au permis gruparea lor sub numele de planete telurice (tellur = pământ în latină), aici fiind inclusă adesea şi Luna. Acestea au un corp solid, format din învelişuri sferoidale, cu densitate mare (3,3-5,5 g/cm³) şi proprietăţi diverse. Toate sunt bogate în elemente grele, mai ales silicaţi, fier şi magneziu. Cu excepţia lui Mercur (şi a Lunii), ele au atmosferă secundară provenind din degazeificarea elementelor uşoare cuprinse iniţial în interiorul planetelor (dioxid de carbon, vapori de apă, azot). Unele dintre aceste planete nu au sateliţi (Mercur şi Venus), altele au unul (Pământul) sau doi sateliţi (Marte).

Terra este cea mai mare dintre planetele interne.

Planetele externe au, în majoritatea lor, o aparenţă gazoasă fiind compuse din hidrogen, heliu, metan, amoniac etc. Ele au densitate mică (0,71,56 g/cm³), dar dimensiuni mari (cu excepţia planetei Pluton, care este de talia planetelor telurice). De aceea li se mai spune şi planete gigantice. Unele din ele au un număr mare de sateliţi (Saturn – 18, Jupiter – 16, Uranus – 15, Neptun – 8). Altele au în jurul lor inele alcătuite din particule solide (gaze îngheţate). Cele mai mari şi reprezentative sunt cele şapte inele ale lui Saturn.

Atmosfera planetelor gigant (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) este dominată de hidrogen, heliu, azot. Oxigenul, care a existat iniţial, s-a combinat cu hidrogenul, transpunându-se în vapori de apă şi dispărând din atmosferă.

Toate planetele execută mişcări de revoluţie în jurul Soarelui, în conformitate cu legile lui Kepler. În acelaşi timp, ele efectuează şi o mişcare de rotaţie cu perioadă mai mare în cazul planetelor telurice (56 zile pentru Mercur şi 24,5 ore pentru Marte) şi mai mică pentru planetele gigantice (16 ore şi 7 minute pentru Neptun, 9 ore şi 50 minute pentru Jupiter şi 10 ore şi 39 minute pentru Saturn).

Mişcarea de rotaţie se face în sens direct matematic, cu excepţia planetelor Venus şi Uranus, care se rotesc în sens retrograd.

Fig. 5. Sistemul solar

1.2.2.1. Soarele şi influenţa sa asupra TerreiSoarele este una din cele circa 100 miliarde de stele din galaxia Calea Lactee, fiind

situat în centrul Sistemului nostru solar.Ca mărime şi strălucire, Soarele face parte din categoria stelelor mijlocii în raport

cu cele gigantice. El concentrează 99,87% din masa totală a Sistemului nostru solar, aceasta fiind de 333.000 ori mai mare decât a tuturor planetelor la un loc.

Soarele este sursa existenţei tuturor fenomenelor de pe Pământ, căldura şi lumina solară reprezentând elementele esenţiale ale mediului terestru.

Soarele este alcătuit în întregime din gaze şi de aceea densitatea lui este de aproximativ 1,41 g/cm³ (1/4 din densitatea medie a Pământului). În componenţa lui predomină două elemente: hidrogenul, care formează 55% din masa Soarelui şi heliul, care reprezintă 44%. Restul de 1% este format din 63 de elemente care se găsesc şi pe Pământ.

Soarele execută o mişcare neuniformă de rotaţie în jurul axei sale, ce scade de la ecuatorul solar (unde este de 25 zile terestre) la poli (35 zile). Forţa de acceleraţie gravitaţională este de 28 ori mai mare decât pe Pământ, dar câmpul său magnetic este slab.

În acelaşi timp, Soarele execută şi o mişcare de revoluţie în jurul axei mici a Galaxiei noastre, odată cu întreaga Galaxie, cu o perioadă de 250 milioane de ani. Viteza de deplasare pe orbita sa este de aproximativ 250 km/s.

Soarele se compune dintr-o parte centrală (interiorul Soarelui) şi atmosfera solară.Atmosfera solară cuprinde următoarele straturi: fotosfera, cromosfera şi coroana

solară (Fig. 6)Fotosfera este situată la baza atmosferei solare şi are temperaturi de circa 6000C;

aici apar uneori porţiuni mai întunecate (care au cca. 4500C) denumite „pete solare”; s-a observat că aceste pete apar într-un număr mai mare cu o periodicitate medie de 11 ani.

Fig. 6. Structura internă a Soarelui SoareleCromosfera înconjoară fotosfera şi are temperaturi ce cresc spre exterior până la cca.

20.000C; în cromosferă apar erupţii care generează aşa-numitele „protuberanţe solare”, cu o periodicitate de 11 ani, corelată petelor solare din fotosferă.

Coroana solară reprezintă partea exterioară a atmosferei solare, ea fiind vizibilă pe Pământ în timpul eclipselor totale de Soare.

Ca formă, Soarele este o sferă de gaz incandescent. Energia sa enormă provine din reacţiile termonucleare ce au loc în partea centrală, în nucleu.

Cele trei straturi exterioare ce compun „atmosfera solară”, deşi se întrepătrund, au proprietăţi particulare cauzate de modificările termodinamice ale gazului solar ce au loc la fiecare nivel.

Pentru Pământ, Soarele se manifestă prin radiaţiile emise continuu, având intensificări accidentale.

Soarele emite şi particule materiale sub formă de electroni, protoni, nuclee de heliu etc. Viteza cu care sunt expediate aceste particule subatomice este de câteva sute de km/s în vântul solar şi atinge câteva zeci de mii de km/s în razele cosmice solare

1.2.3 Forma şi dimensiunile Pământului

Fig. 7 Forma de geoid a Pământului

Măsurătorile moderne au arătat că Pământul are o formă care nu poate fi încadrată riguros în nici una din formele geometrice. Din această cauză s-a admis că Pământul are o formă proprie cu a unui elipsoid de revoluţie puţin deformat care a fost numit „geoid”. Geoidul este suprafaţa echipotenţială a câmpului gravitaţional fiind limitat de suprafaţa liniştită a mării, considerată ca prelungită pe sub continente (Fig. 7).

Semiaxele elipsoidului (determinate cu ajutorul aparatelor de pe sateliţii geodezici, adoptate în 1967) au următoarele valori: semiaxa mare, a = 6.378,16 km, semiaxa mică b = 6.356,774 km, cu o turtire polară (1/298,2). S-a determinat că polul sud terestru este cu aproximativ 30 m mai aproape de ecuator decât polul nord.

Aceasta a dus la afirmaţii exagerate şi anume că Pământul este piriform (în formă de pară). Această formă, de asemenea proprie Pământului, mai este denumită „teroid” şi este diferită de cea numită geoid, reieşită numai din calcule matematice.

Din punct de vedere matematic, suprafaţa geoidului este perpendiculară, în oricare din punctele sale, pe direcţia gravitaţiei. Suprafaţa geoidului rămâne sub cea a elipsoidului de revoluţie în dreptul continentelor, diferenţa dintre ele fiind însă mică de numai 100 m.

Prima măsurătoare a dimensiunilor Pământului o datorăm lui Eratostene (276-195 î.e.n.) care a găsit că lungimea meridianului este de aproximativ 39.375 km.

Dimensiunile Pământului sunt următoarele:• raza ecuatorială – 6.378,16 km• raza polară – 6.356,77 km• Turtirea – 1:298,2• suprafaţa (aria) – 510,2 milioane km²• Volumul – 1.083 milioane km³• Masa – 5.975·1021 tone

1.2.3.1. Poziţia şi mişcările Pământului1.2.3.1.1. Poziţia Pământului în Sistemul nostru solarPământul este cea mai mare planetă dintre cele patru planete telurice şi se

găseşte la o distanţă medie faţă de Soare, de 149.500.000 km. Datorită acestei poziţii Pământul recepţionează o cantitate de radiaţie solară care îi asigură condiţii optime faţă de celelalte planete. Astfel, intensitatea radiaţiei solare, la partea superioară a atmosferei este de 1,98 kcal/cm²/min (constanta solară). Acesta face ca temperatura medie pe suprafaţa Pământului să fie de 13C. Planeta Marte, care este situată la 227,9 milioane km faţă de Soare , are temperatura medie de aproximativ -63C (maximă: -20C, minimă: -140C).

Faţă de distanţa medie Pământ – Soare, Pământul se apropie de Soare la 147.100.000 km (la periheliu) şi se îndepărtează la 152.000.000 km (la afeliu), distanţe care reprezintă cele două semiaxe ale orbitei terestre, adică a traiectoriei pe care o parcurge Pământul în timpul unui ciclu de revoluţie în jurul Soarelui.

1.2.3.1.2. Mişcările PământuluiÎn mişcarea lui prin Cosmos în jurul Soarelui, Pământului execută o serie de

mişcări şi anume:• mişcarea de rotaţie;• mişcarea de revoluţie (translaţie);• mişcarea conică;• mişcarea de nutaţie.

Mişcarea de rotaţiePământul execută o mişcare de rotaţie în jurul axei polilor săi în 23h 56′ 4″ de la

vest la est, de unde se creează imaginea aparentă a deplasării corpurilor cosmice (Soarele, Luna, stelele) de la este la vest. Mişcarea Pământului în jurul axei sale şi în jurul

Soarelui, a Lunii în jurul axei şi în jurul Pământului se realizează în acelaşi sens.Mişcarea de rotaţie are ca urmare ziua siderală (ziua + noaptea). Viteza mişcării de rotaţie este variabilă cu latitudinea şi anume:

• este maximă la ecuator 465 m/s:• nulă la poli.

Mişcarea de rotaţie are o serie de consecinţe:Cea mai importantă consecinţă a mişcării de rotaţie este succesiunea zilelor şi a

nopţilor. Orice punct de pe suprafaţa Pământului care se află la un moment dat în dreptul Soarelui ajunge din nou în aceeaşi poziţie după 24 ore. Este durata zilei solare mijlocii.

Aşadar, orice punct de pe suprafaţa globului execută o rotaţie completă în 24 ore, descriind un cerc, adică 360C. Se poate calcula astfel că într-o oră orice punct parcurge aparent 15 de meridian. O consecinţă importantă a acestui fapt este aceea că din 15 în 15 de meridian există o diferenţă de o oră.

Datorită mişcării de rotaţie, temperatura aerului se modifică în 24 de ore; astfel în timpul zilei, suprafaţa Pământului se încălzeşte, iar în timpul nopţii s răceşte.O altă urmare a mişcării de rotaţie este abaterea spre dreapta a corpurilor aflate în mişcare în emisfera nordică şi spre stânga a corpurilor aflate în mişcare în emisfera sudică (Fig. 8)Acest fenomen se observă îndeosebi la vânturi şi curenţi marini. Cauza o constituie vitezele inegale de deplasare a corpurilor pe suprafaţa terestră, de la ecuator la poli şi invers, creându-se o forţă componentă (forţa lui Coriolis). Datorită rotaţiei Pământului apare o forţă centrifugă care acţionează perpendicular pe axa polilor din centrul planetei spre exterior. Acţiunea acestei forţe a determinat bombarea Pământului la ecuator (acolo unde forţa centrifugă are valoarea maximă, în timp ce la poli ea este nulă).Inegalitatea vitezei de rotaţie cu latitudinea provoacă schimbări în direcţia curenţilor oceanici, a curenţilor aerieni şi chiar a apelor curgătoare.Mişcarea de revoluţiePământul efectuează o mişcare de revoluţie, în jurul Soarelui, pe o orbită în formă de elipsă, în unul din focarele căreia se află Soarele. Revoluţia se desfăşoară simultan cu mişcarea de rotaţie.Planul orbitei terestre intersectează bolta cerească după un cerc numit ecliptică. Pământul se deplasează pe orbită în sens direct matematic (în sens invers acelor de ceasornic) şi parcurge orbita în 365 zile, 6 ore, 9 minute şi 9 secunde. Această perioadă este denumită an sideral, căci se măsoară în funcţie de un reper care reprezintă o stea fixă pe bolta cerească. Viteza medie a mişcării Pământului pe orbită este de 29,79 km/s (cu o variaţie între 29 şi 32 km/s). Pe tot parcursul revoluţiei sale, axa de rotaţie a Terrei (axa polilor) rămâne paralelă cu ea însăşi. Păstrându-şi direcţia acesta execută în spaţiu o mişcare de translaţie, motiv pentru care deplasarea planetei în jurul Soarelui sa mai numeşte mişcare de translaţie.Punctul de pe ecliptică cel mai apropiat de Soare se numeşte periheliu, iar punctul cel mai depărtat afeliu. Mişcarea de revoluţie determină succesiunea celor 4 anotimpuri. (Fig. 9)

Fig. 8. Acţiunea forţei Coriolis asupra copurilor în mişcare pe suprafaţa terestră

Fig.9. Mişcarea de revoluţie a pământului

Mişcarea de revoluţie are o serie de consecinţe asupra fenomenelor ce au loc la suprafaţa Pământului.

Aceste consecinţe sunt: inegalitatea zilelor şi a nopţilor în cursul unui an, încălzirea inegală a suprafeţei Pământului, formarea anotimpurilor, formarea zonelor de căldură.

Inegalitatea zilelor şi a nopţilor în cursul unui an, în diferite puncte de pe glob, se datorează faptului că în timpul solstiţiului (din latină sol = Soare şi stare = a sta) de vară (22 iunie), razele Soarelui cad perpendicular pe tropicul de nord, luminând mai mult emisfera nordică (deci zilele sunt mai lungi) şi mai puţin emisfera sudică (deci zilele sunt mai scurte); la solstiţiul de iarnă (22 decembrie) este invers.

Încălzirea inegală a suprafeţei Pământului se datorează faptului că razele solare au unghiuri de incidenţă diferite pe suprafaţa Pământului în cursul unui an. Între tropice, razele cad perpendicular sau au înclinări foarte mici, iar cantitatea de căldură primită de la Soare este mare. Între tropice şi cercurile polare razele au înclinări mai reduse (vara în emisfera nordică şi iarna în emisfera sudică) sau mai mari (invers), ceea ce influenţează cantitatea de căldură primită. Între cercurile polare şi poli, din cauza mişcării de revoluţie şi a înclinării axei, razele Soarelui nu ajung decât jumătate de an (vara în emisfera nordică şi iarna în emisfera sudică).

Formarea anotimpurilor în cele două emisfere se realizează datorită încălzirii inegale în cursul unui an a suprafeţei Pământului. În regiunile situate la latitudini mijlocii se formează câte patru anotimpuri.

Zonele de căldură se formează datorită mişcării de revoluţie, formei Pământului şi încălzirii axei, încât cantitatea de căldură primită pe suprafaţa Pământului scade de la ecuator la cei doi poli. Zonele de căldură sunt cuprinse între principalele paralele de pe glob, deosebindu-se:

– o zonă caldă, între tropice– două zone temperate (nordică şi sudică), între tropice şi cercurile polare;– două zone reci (nordică şi sudică), între cercurile polare şi poli.

Mişcarea conicăAxa Pământului nu rămâne în aceeaşi poziţie paralelă, ci de fapt, execută o

mişcare care ar genera un con ipotetic cu vârful în centrul Pământului, de unde provine numele de mişcare conică.

Mişcarea de nutaţieÎn mişcarea de revoluţie axa polară a Pământului nu păstrează o poziţie stabilă,

ci execută o balansare, o oscilaţie numită „nutaţie” care în decursul unui număr mare de revoluţii descrie o mişcare conică (Fig. 10).

Fig. 10. Mişcarea conică şi de

nutaţie a Pământului

Balansul axei de rotaţie se aseamănă cu cel al unui titirez. Acestui balans uşor i s-a dat denumirea de nutaţie a polilor, acesta producându-se pe fondul unui balans de mai mare amploare, care provoacă aşa-numita precesie a echinocţiilor. Din această cauză se individualizează unele poziţii specifice ale Pământului faţă de Soare, cum sunt cele din punctele echinocţiale şi solstiţiale.

Oscilaţia axei este provocată de atracţia lunii şi Soarelui. Această mişcare face ca pereţii conului să ia forma de falduri, rezultând o variaţie a poziţiei polilor pe suprafaţa globului în cicluri de 21.000 ani.

Structura internă a globului terestruDatorită forţei de gravitaţie şi mişcării de rotaţie, Pământul are o structură

zonar-concentrică. Materia mai grea s-a concentrat spre interior, iar cea mai uşoară la suprafaţă.

Cercetarea directă a interiorului Pământului nu este posibilă din cauza temperaturii şi presiunilor foarte mari. Cele mai adânci foraje au depăşit 12.000 m în interiorul scoarţei, iar în zonele cutate şi erodate se pot observa roci provenite de la o adâncime de cel mult 25-30 km.

Din rezultatele obţinute în prezent atât prin cercetări directe cât şi prin metode indirecte a rezultat că globul pământesc este alcătuit dintr-o serie de zone aproximativ sferice concentrice, care se învelesc succesiv se îmbracă unele pe altele concentric.

Cunoaşterea alcătuirii globului la adâncimi mai mari s-a făcut prin mijloace indirecte (propagarea undelor seismice, compoziţia meteoriţilor etc.).

Modificarea undelor seismice are loc cu modificarea mediului, suprafeţele pe care aceasta are loc fiind denumite suprafeţe de separaţie sau de discontinuitate .

Pe baza acestor rezultate s-au emis o serie de ipoteze legate de structura globului terestru având la bază diferite criterii şi imaginându-se modele denumite modele geologice.

Din studiul propagării undelor seismice în interiorul globului terestru s-a putut trage concluzia că materia terestră este distribuită simetric în jurul nucleului intern sau chiar al centrului Pământului şi constituie învelişuri sferice care se acoperă unele pe altele diferind între ele prin proprietăţile lor elastice.

Mişcările seismice sunt mişcări oscilatorii care afectează materia terestră. Viteza lor de propagare este în funcţie de densitatea mediului în care se propagă. Ele suferă reflexii şi refracţii la contactul dintre medii cu densităţi diferite.

Învelişurile sunt separate prin „suprafeţe de discontinuitate” deoarece ele provoacă discontinuităţi în propagarea undelor seismice, ceea ce arată discontinuităţi ale densităţii materiei ce alcătuieşte planeta.

Pe baza suprafeţelor de discontinuitate de la limita inferioară a scoarţei şi de la adâncimea de aproximativ 2900 km, interiorul globului terestru a fost împărţit în trei geosfere principale (Fig. 11):

Fig. 11. Modelul geofizic al Pământului Fig. 12. Structura internă a Pământului

În anul 1909 s-a determinat o primă suprafaţă de discontinuitate seismică de către seismologii croaţi (tată şi fiu) Mohorovicic, la adâncimea de câteva zeci de km, discontinuitate care le poartă numele.

La baza scoarţei se află suprafaţa de discontinuitate Moho, de formă neregulată, de regulă cu concavităţi sub ariile continentale şi cu convexităţi sub ariile oceanice.

Adâncimea discontinuităţii Moho este între 20-80 km sub continente şi între 6-15 km sub oceane.

În România după calcule seismologilor români discontinuitatea Moho are adâncimea de :

• 40 km în dreptul oraşelor Timişoara şi Iaşi;• 55 km pe linia Bucureşti - Câmpulung Muscel;• 70 km în munţii Vrancei.

a) Partea externă a Pământului şi cea mai subţire este scoarţa (Fig. 12). Ea are grosimea de 20-80 km în regiunile continentale şi de cca. 5+10 km sub oceane, iar densitatea este de 3,0 g/cm³.

Trecerea de la scoarţă la manta se face prin discontinuitatea Moho.Scoarţa prezintă două straturi distincte. Stratul superficial, este numit strat granitic,

deoarece are densitatea medie mai apropiată de cea a granitului. În realitate acest strat are în componenţă pe lângă rocile granitice şi roci bazice, metamorfice şi sedimentare. Stratul granitic nu este continuu, ci apare sub forma unor porţiuni imense care corespund zonelor de uscat continentale.

Sub stratul granitic se află stratul bazaltic, care este alcătuit din roci bazice şi apare continuu, atât sub oceane, cât şi sub continente.Contactul dintre stratul granitic şi cel bazaltic este dat de suprafaţa de discontinuitate Conrad, care se găseşte la adâncimi de 10-30 km sub continente şi lipseşte în regiunile oceanice (Fig. 13).

Fig. 13. Detalieri ale învelişurilor (geosferelor) în structura globului terestru

Se individualizează două tipuri de scoarţă: scoarţa de tip continental; scoarţa de tip oceanic.

Scoarţa de tip continental în grosime totală de 2080 km este formată din trei zone:

– zona sedimentară – în grosime medie de 15-20 km;– zona granitică – în grosime de 15-40 km;– zona bazaltică – în grosime de 10-20 km.

Scoarţa de tip oceanic are o constituţie apropiată de cea a zonei bazaltice, este apropiată de mantaua superioară şi în centrul oceanului are grosimi cuprinse între 5-10 km. Se caracterizează prin absenţa stratului granitic. De sus în jos are următoarea alcătuire:

– un strat de roci sedimentare şi mâluri recente sau actuale neconsolidate;– un strat bazaltic de câţiva km sub care se află mantaua.

În funcţie de rocile predominante, structura scoarţei în general se caracterizează prin

trei pături deosebite: bazaltică (sau oceanică), granitică (sau continentală) şi sedimentară (Fig. 14).

Fig. 14. Structura scoarţei continentale şi a celei oceanice

Pătura bazaltică se găseşte atât sub continente, cât şi pe fundul oceanelor, având 10-20 km grosime sub continente şi mai puţin sub oceane.

Pătura granitică este groasă de 15-40 km, se află mai ales sub continente şi lipseşte pe o bună parte din fundul oceanelor.

Pătura sedimentară (stratisfera) se compune din materiale provenite din distrugerea rocilor preexistente de către agenţii externi (apă, vânt, etc.); are grosimi variabile de la 15 la 20 km.

Apariţia crustei se consideră că a avut loc în următoarele două ipoteze:• fie prin răcirea globului în faza sa de dezvoltare când era o masă incandescentă;• fie prin redistribuirea acestei mase la rece pe baza diferenţei de greutate specifică.

Apariţia crustei terestre reprezintă începutul stadiului de evoluţie a Pământului, vârsta ei fiind apropiată la 4,5…5 miliarde de ani.

b) Mantaua se află sub scoarţa terestră şi se întinde între discontinuitatea Moho şi discontinuitatea Wieckert-Gutenberg având o grosime de aproximativ 2900 km.

Se mai numeşte mezosferă sau înveliş deoarece înveleşte geosfera centrală.Geofizicienii au identificat şi în cadrul mantalei trei subdiviziuni:

• mantaua superioară (astenosfera – asthenos = fără rezistenţă)• faza de tranziţie (de la 400 km la 1000…1050 km)• mantaua inferioară (1050…2900 km)

Mantaua superioară se întinde până la 375-400 km adâncime. În cuprinsul său se individualizează astenosfera, cel puţin parţial, în stare topită. Restul mantalei este în stare solidă. Materia care alcătuieşte mantaua are densităţi de 3,3…5,5 g/cm³.

Astenosfera furnizează, pentru baza litosferei, un flux de căldură, compensând fenomenul de răcire, exact în momentul în care grosimea ei atinge circa 125 km.

Astenosfera corespunde unui material vâscos, susceptibil de a se deforma uşor şi care ar fi sediul curenţilor de convecţie răspunzători de deplasarea litosferei în cadrul dinamicii plăcilor.

Importanţa mare a astenosferei constă în faptul că pe ea „pluteşte” scoarţa solidă externă a Pământului, compusă din calote sferice cu greutăţi diferite. Acestea se afundă în astenosferă mai mult sau mai puţin până ce îşi găsesc un echilibru relativ static (echilibru izostatic). Tot în astenosferă, datorită fluidităţii sale, ca şi temperaturilor variate, între partea superioară şi cea inferioară apar curenţi de convecţie, care aduc magma mai caldă din interior spre scoarţă şi coboară magma mai rece de sub scoarţă spre baza astenosferei.

O parte din magma ce urcă spre scoarţă poate să iasă printre crăpăturile acesteia, formând lave vulcanice.

• Zona de tranziţie este alcătuită din Cr, Fe, Si şi Mg (Crofesima) având densitatea ρ = 4,0 g/cm³.

• Mantaua inferioară sau internă este alcătuită din Ni, Fe, Si şi Mg (Nifesima) cu densitatea ρ = (56) g/cm³.

În mantaua externă se formează magmele, care sunt topituri incandescente formate în special din silicaţi, bogate în gaze şi vapori, localizate în scoarţa terestră sau la nivele mai profunde.

c) Nucleul are o grosime de aproximativ 3500 km şi reprezintă porţiunea situată de la discontinuitatea Wickert-Gutenberg până în centrul Pământului. Se mai numeşte barisferă (densitatea şi presiunea cea mai mare), centrosferă (geosfera centrală), sâmbure sau inimă.

Discontinuitatea Lehman împarte nucleul în două părţi distincte: nucleul exterior are o grosime cuprinsă între 2900…5000 km; în această zonă nu

se mai propagă undele seismice transversale, ceea ce denotă că materia este acolo în stare fluidă; densitatea este cuprinsă între ρ = (9,711,5) g/cm³;

nucleul interior se întinde de la 5000 km până în centrul Pământului, materia se comportă din nou ca un solid; densitatea variind între ρ = (12,014,0) g/cm³.

Valoarea mare a densităţii nucleului asigură o masă importantă a acestuia, care contribuie la sporirea atracţiei gravitaţionale, capabilă să menţină atmosfera şi hidrosfera asigurând astfel existenţa geosistemului. Se admite că nucleul este alcătuit predominant din Ni şi Fe (NiFe), ceea ce are importanţă pentru câmpul magnetic al Pământului.

Proprietăţile fizice ale PământuluiPământul se caracterizează printr-o serie de proprietăţi specifice referitoare la:

• Căldura Pământului• Gravitaţia Pământului• Densitatea Pământului• Presiunea în interiorul Pământului• Radioactivitatea Pământului• Electricitatea Pământului• Magnetismul Pământului

Căldura PământuluiCantitatea de căldură pe care o posedă Pământul este provenită din două surse:

• exogenă, de la Soare• endogenă, rezultată din dezintegrarea substanţelor radioactive sau chiar căldura

iniţială a globuluiCăldura de origine exogenă la suprafaţa Pământului provine în proporţie de 99,5%

de la Soare şi numai 0,5% din interiorul globului.Soarele radiază în spaţiul cosmic o cantitate imensă de căldură, dar la suprafaţă

ajunge o cantitate redusă din cauza reflectării de către atmosferă a acestei călduri în spaţiul cosmic. Repartizarea căldurii pe suprafaţa globului nu este uniformă şi depinde de:

- intensitatea insolaţiei;- durata şi unghiul de incidenţă pe suprafaţa Pământului a razelor solare;- raportul dintre uscat şi mare;- climă;- factori geografici.

Polii frigului şi ai căldurii nu coincid cu polii geografici. Interesează în acest sens locurile în care se înregistrează temperaturile cele mai mari şi cele mai coborâte precum şi variaţiile zilnice şi sezoniere într-un anumit punct pe glob. Cele mai coborâte temperaturi nu se află la cei doi poli, iar cele mai ridicate nu se află la ecuator.

La polul Nord geografic temperatura cea mai coborâtă a fost de –44,5C, în timp ce în Siberia în zona Iacuţia, la Verhoiansk, se înregistrează frecvent temperaturi de minus 50…68 C.

Polii căldurii se află în Valea Morţii, din California (56C) şi Podişul Gobi (70 C în 1962/1963).

Variaţiile zilnice, de la zi la noapte sunt cele mai importante. În Sahara temperatura nisipului ajunge ziua la plus 50…53 C, iar noaptea coboară la minus 9C.

Pentru geologie, o importanţă deosebită o prezintă însă nu variaţiile de temperatură în funcţie de latitudine ci variaţiile zilnice şi variaţiile sezoniere care se produc în aceeaşi regiune.

În Asia Centrală, suprafaţa rocilor se încălzeşte până la plus 60...70 C, iar noaptea se răceşte până la minus 20…25 C, producând mari dilatări şi comprimări succesive ale rocilor. Importanţa mare a căldurii de origine exogenă constă în întreţinerea fenomenelor biogene. De la suprafaţa scoarţei Pământului spre interior, variaţiile de temperatură nu se simt decât pe o mică adâncime.

Adâncimea la care variaţiile (zilnice, sezoniere, anuale) de temperatură nu se mai resimt poartă numele de pătură cu temperatură constantă. La ecuator suprafaţa păturii cu temperatură constantă se găseşte la 4…5 m adâncime; în Europa centrală la 20…30 m; la Bucureşti la 25 m.

Căldura de origine internă creşte cu adâncimea de la pătura cu temperatură constantă în jos.

Se numeşte treaptă geotermică, adâncimea exprimată în metri cu care trebuie să se coboare în interiorul scoarţei globului pământesc pentru ca temperatura să crească cu 1C.

Se numeşte gradient geotermic, numărul de grade cu care creşte temperatura pentru o coborâre de 100 m.

În medie treapta geotermică este de 33 m. Valoarea treptei geotermice şi respectiv a gradientului geotermic variază de la o regiune la alta în funcţie de mai mulţi factori.

Gravitaţia PământuluiGravitaţia Pământului (lat. gavitaţio = atracţie; gravitas = greutate) reprezintă o

proprietate fizică a globului terestru, care constă în forţa de atracţie exercitată în direcţia centrului acestuia asupra tuturor corpurilor aflate în interiorul său, la suprafaţă sau în atmosferă.

Regiunea din spaţiu până unde se resimte gravitaţia Pământului se numeşte câmp gravitaţional. Rezultatul acestor forţe de atracţie constă în imprimarea unei greutăţi tuturor corpurilor, proporţional cu masa lor.

Datorită formei Pământului şi a compoziţiei sale neomogene, gravitaţia (acceleraţia gravitaţională) variază cu latitudinea locului considerat şi cu masa substanţelor din subsolul din acel loc. La Ecuator, unde raza globului este maximă, acceleraţia gravitaţională este minimă, g = 978 cm/s².

Dimpotrivă, la poli, unde raza globului este minimă, iar forţa centrifugă nulă, acceleraţia este maximă, g = 983,2 cm/s². Unitatea de măsură folosită pentru acceleraţia gravitaţiei este galul (de la Galileo Galilei) 1 gal = 1 cm/s².

Densitatea Pământului

Prin procedee fizice s-a aflat că densitatea medie a Pământului este ρmed = 5,517 g/cm³. Rocile de la suprafaţa Pământului au densitatea cuprinsă între 2,5…3,0 g/cm³, iar în interiorul său se află substanţe a căror densitate trebuie să fie între 6…14 g/cm³.

Rocile eruptive acide (granitul, porfirul) au densitatea ρ = (2,5…2,7) g/cm³; rocile bazice (bazaltul, diabazul) au densitatea de până la 3,3 g/cm³, iar rocile sedimentare (gresia, argila, calcarul) au densitatea cuprinsă între 2,5…2,8 g/cm³.

Presiunea din interiorul PământuluiPresiunea din interiorul Pământului este determinată de:

• forţe gravitaţionale;• forţe endogene;• forţe exogene.

Forţa gravitaţională se manifestă în sens vertical, imprimând rocilor o greutate proprie. Valoarea ei pe unitatea de suprafaţa poartă denumirea de presiune litostatică şi este funcţie de densitatea rocilor şi de adâncime.

Forţele endogene au o origine complexă considerându-se că s-ar datora unor fenomene fizico-chimice, termodinamice (dilatări şi comprimări) şi mişcării unor curenţi de convecţie. Aceste forţe acţionează după anumite direcţii atât în spaţiu, cât şi în timp.

Forţele exogene sunt cele datorate gravitaţiei universale exercitate de Soare, Lună, planetă şi alte corpuri cereşti.

Valoarea presiunii rocilor variază cu adâncimea şi cu temperatura. Ea se exprimă în atmosfere, bari, megabari sau în daN/cm². La 800 km adâncime presiunea este de 296.000 atmosfere, iar la 6.370 km este de 3.059.700 atmosfere. Presiunea produce o compactare a rocilor.

Radioactivitatea PământuluiElementele radioactive cele mai importante sunt: uraniu, thoriu, actiniu. Dintre cele

40 de elemente radioactive, potasiul merită să fie menţionat în mod special, deoarece el este răspândit atât în rocile magmatice cât şi în cele sedimentare.

Dezintegrarea elementelor radioactive se produce cu degajarea unei cantităţi foarte mari de căldură (una din sursele importante de căldură ale globulu). Prin dezintegrare, uraniul (238) se transformă în Pb206 şi în He, care se păstrează uneori în masa mineralului din care au luat naştere cu emisie simultană de radiaţie.

Pe viteza de dezintegrare a uraniului se bazează una din metodele de determinare a vârstei absolute a rocilor şi deci şi a Pământului.

Electricitatea PământuluiElectricitatea Pământului este o proprietate fizică determinată de existenţa unui

câmp electric care se manifestă atât în interiorul globului, cât şi în exteriorul acestuia, în atmosferă.

Prin curenţii electrici din atmosfera înaltă, Pământul primeşte un permanent şi bogat aport energetic venit de la Soare sub constanta vântului solar. Aceşti curenţi sunt încălzitori electrici, deoarece determină producerea unor ecrane de temperatură foarte ridicată

Magnetismul PământuluiMagnetismul terestru – geomagnetism (din grecescul magnes =

atrăgător) – este proprietatea fizică a Pământului de a provoca orientarea unui ac de oţel suspendat de centrul lui de greutate, într-o poziţie determinată, în orice loc şi în orice timp. Magnetismul terestru are proprietatea de a provoca magnetizarea unor corpuri şi de a produce curenţi electrici în circuite închise. Zona din jurul Pământului până la care se resimte efectul câmpului său magnetic se numeşte magnetosferă, a cărei grosime este neuniformă. Înspre Soare, magnetosfera are grosime de 125.000 km, iar în sens opus de 400.000 km.